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Kreiselgerät, z. B. zum Anzeigen von Winkeländerungen und/oder zur
selbsttätigen Steuerung von Fahrzeugen Die Erfindung betrifft Kreiselgeräte, z.
B. zum Anzeigen von Winkeländerungen und/ oder zur selbsttätigen Steuerung von Fahrzeugen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Kreiselgeräte mit einem
im Schwerpunkt unterstützten Rotor, der durch ein dreiachsiges Gelenk mittels Oberflächenreibung
zwischen den Gelenkhälften angetrieben wird, wobei die Geschwindigkeiten der Antriebswelle
und des Rotors verschieden gehalten werden. Derartige Kreiselgeräte sind Gegenstand
des Patentes 586 69z. Das Gerät nach diesem Patent ist mit Bremsmitteln, z. B. in
Gestalt von mit dem Rotor verbundenen Luftflügeln, versehen, die zwischen der Geschwindigkeit
.des Rotors und der der Antriebswelle einen dauernden konstanten Unterschied aufrechterhalten,
so daß in dem Gelenk zwischen Antriebswelle und Rotor, das vorzugsweise als Kugelgelenk
ausgebildet ist, ein Schlupf vorhanden ist. Dieser Schlupf verhindert ein Klemmen
des Rotors in seiner jeweiligen Lage durch Reibung im Gelenk und sichert eine möglichst
reibungsfreie und empfindliche Einstellung des Rotors um die OOuerachsen.
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Das Gerät nach dem Patent 586 691 wird erfindungsgemäß durch die Anordnung
von Mitteln zur selbsttätigen Veränderung der Geschwindigkeit der Antriebswelle
weiter ausgebildet. Zweckmäßig werden diese Mittel zur Änderung :der Geschwindigkeit
periodisch wirksam. Die Einrichtung nach der Erfindung ist für die gleichen Zwecke
verwendbar wie dasiGerät nach Patent 58669i.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann so ausgebildet sein, daß die
Umdrehungszahl der Antriebswelle entweder immer über einem bestimmten Mindestwert
erhalten wird und zwischen diesem Mindestwert und dem dem Antrieb eigenen Höchstwert
schwankt oder zwischen Null und dem gleichen Höchstwert schwankt. Das kann z. B.
durch wechselnde Bremsung und Beschleunigung erreicht werden oder :durch wechselweises
Stillsetzen und Wiederbeschleunigen der Antriebswelle. Im folgenden wird eine Anzahl
Ausführungsformen von Kreiselantrieben beschrieben, durch die beide Arten der Änderung
des Schlupfes verwirklicht werden können.
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Wenn bei Kreiselgeräten der fraglichen Bauart Welle und Rotor zusammen
umlaufen, jedoch eine Winkelverschiebung zwischen beiden vorliegt, dann erzeugt
die Reibung zwischen den Kugelschalendes Treibgelenkes ein Drehmoment, das eine
Präzession des Kreiselrotors verursacht, derart, da& Rotor und Welle wieder
in gleiche Achsrichtung zu kommen suchen. Wenn der Schlupf durch eine Differenz
der Geschwindigkeiten von Rotor und Welle hervorgerufen wird, ist das Drehmoment,
das die Präzession hervorzurufen sucht, nur ein Teil des gesamten Drehmotnents
zwischen
den Kugelschalen. Der Teil des gesamten Drehmoments, welcher die Präzession .des
Kreiselrotors hervorruft, hängt von dem Verhältnis der Wellengeschwindigkeit zur
Differenz der Geschwindigkeiten von Welle und Rotor ab. Wenn daher keineGeschwindigkeitsdifferenz
besteht, wird das ganze Reibungsmoment so wirken, daß es eine Präzession hervorzurufen
sucht. Wenn andererseits die Wellengeschwindigkeit gleich -Null ist, gibt es kein
Reibungsmoment, das eine Präzession des Kreiselrotors hervorrufen könnte.
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Wenn andererseits die Welle stillsteht, während der Rotor weiter umläuft,
so verharrt er in seiner ursprünglichen Lage und folgt einer Winkelabweichung der
Welle so lange nicht, bis die Welle sich wieder zu drehen beginnt, so daß der Rotor
wieder beschleunigt wird, und dann kehrt er allmählich in seine normale Lage zurück.
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Die Geschwindigkeitsänderungen der Welle sollen derart und von solcher
Dauer sein, daß der Rotor nicht unter eine Min.destutnlaufgeschwindi.gkeit abfällt,
bei der er noch wirksam als Kreisel arbeitet.
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Die Umlaufgeschwindigkeit der Welle ändert sich vorzugsweise periodisch
in selbsttätig geregelten Zeitabständen. So kann z. B. das Kreiselgerät eine Vorrichtung
hierzu enthalten, die durch den Antriebsmotor für die Welle angetrieben wird, derart,
daß, wenn die 1Zotordrehzahl .im wesentlichen konstant ist oder sich periodisch
ändert, die Periode der Umlaufzahländerung der Antriebswelle in beiden Fällen konstant
bleibt. Andererseits ka7'nn das Kreiselgerät eine Vorrichtung besitzen, die von
einer unabhängigen Antriebskraft, wie z. B. einem Uhrwerk, getrieben wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsfortn des Kreiselgerätes wird die zur
Geschwindigkeitsänderung der Welle dienende Vorrichtung gesteuert durch die Winkelabweichung
der Rotorachse relativ zur Wellenachse.
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Eine derartige Steuerung der Geschwindigkeitsänderung tritt vorzugsweise
zu einer Hauptregelutlg hinzu, welche die Geschwindigkeit periodisch in festgelegten
Zeitabständen ändert, obgleich in gewissen Fällen die Geschwindigkeitsänderung lediglich
durch die Winkelabweichung des Rotors geregelt werden kann.
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Die Vorrichtung zur selbsttätigen Änderung der Geschwindigkeit der
Antriebswelle kann so ausgebildet sein, daß ein völliges Stillsetzen der Welle verzögert
wird und nur dann eintritt, wenn die Antriebswelle und die Rotorachse einen beträchtlichen
Zeitabschnitt lang gegeneinander eine geneigte Lage einnehmen. Wenn dies der Fall
ist, dann kann die Präzession, die durch die Komponente des Reibungsmoments verursacht
wird, zu einem merklichen Wert ansteigen. Wenn dagegen die Welle ganz angehalten
wird, dann wird der Kreiselrotor weiterlaufen, ohne irgend-#iner zurückführenden
Präzession unterworfen zu sein. Eine solche Anordnung ist wünschenswert, wenn der
Kursabweichungsanzeiger oder die Steuervorrichtung als eine Art Kompaß gebraucht
werden, wo sie für lange Perioden genau in derselben Einstellung bleiben sollen.
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Die Mittel zur Geschwindigkeitsänderung der Rotorwelle können verschiedene
sein, und nur einige wenige aus der Reihe der möglichen sind schematisch in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Hierbei zeigt: Fig. i eine Anordnung, bei
der ein Windmotor und ein Regler Anwendung finden. Fig. a zeigt eine Anordnung,
bei der eine Flüssigkeitsturbine Verwendung findet, die über ein exzentrisches Rädergetriebe,
eine Kupplung und eine Bremse wirkt, wobei die Regelung durch die Abweichung des
Rotors erfolgt.
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Fig.3 zeigt eine Anordnung, bei der ein Elektromotor verwendet wird,
der durch ein Uhrwerk gesteuert wird.
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Fig.4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Getriebe mit veränderlicher
Geschwindigkeit verwendet wird, das unter dem Einfluß eines Kurbeltriebes steht,
der seinerseits durch das Antriebsmittel der Welle angetrieben wird.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der eine Wasserturbine verwendetwird,
wobei dieZufuhr der Flüssigkeit durch ein Uhrwerk geregelt wird.
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Der Kreiselrotor kann im wesentlichen gemäß der Beschreibung in der
Patentschrift 586691 gestaltet sein und kurz gesagt aus einean Schwungrad bestehen
(skizziert dargestellt bei A), das auf eine Welle B aufgesetzt ist.
Die Welle B hat ein kugelförmiges Ende C, das in eine entsprechende Schale der Rotornabe
paßt, so daß eine Kugelgelenkverbindung entsteht, um welche der Rotor nach jeder
Richtung hin schwingen kann. An der der Treibwelle abgewandten Rotorseite ist ein
Schaft D angebracht. Dieser ist mit einem Zeiger ausgerüstet im Falle, daß das Gerät
als Kursabweichungsanzeiger Verwendung finden soll. Soll es zum Steuern verwendet
werden, dann dient der Wellenschaft dazu, (las Steuer zu verstellen, z.B. durch
einen Servomechanismus. Die Vorrichtung ist in allen Ausführungsbeispielen als Ganzes
auf einem Rahmen E montiert dargestellt.
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In der Patentschrift 586 691 ist der Rotor A mit Flügeln ausgerüstet,
damit er zur Erzeugung von Schlupf zwischen den Flächen des Kugelgelenkes in Richtung
des
Drehsinnes verzögert wird. Im vorliegenden Falle wird der Schlupf
durch Verändern der Umlaufgeschwindigkeit der Welle B hervorgerufen.
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In der Anordnung gemäß Fig. r ist die Welle B über eine biegsame Welle
F durch einen Windmotor G angetrieben dargestellt.
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Auf der Welle B ist ein Zentrifugalregulator H angeordnet, der eine
Bremsscheibe Hl besitzt, die mit einem Bremsklotz H° zusammenarbeitet. Dieser ist
an einem Arm eines Winkelhebels angebracht, dessen anderer Arm H3 über eine Pleuelstange
H4 mit einer Kröpfung J1 einer Welle l verbunden ist.
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Die Welle J trägt ein großes Zahnrad J2, mit dem sie über ein Ritzel
B1, das auf der Welle B sitzt, angetrieben wird. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit,
auf welche der Regler eingestellt ist, zwischen vorausbestimmten oberen und unteren
Grenzwerten je nach einigen Umdrehungen der Welle B verändert. Obgleich in diesem
Falle die Motorgeschwindigkeit veränderlich gemacht ist, so wird doch gleichzeitig
der Zeitraum, innerhalb dessen die Geschwindigkeit eine volle Schwankung zwischen
ihrem obersten und untersten Grenzwert ausführt, Bleichbleiben.
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Zur Unterstützung des Reglers und um übermäßiges Freiwerden von Energie
an der Bremse H2 zu vermeiden, ist der Windmotor G mit veränderlicher Flügelsteigung
versehen. Das ist angedeutet durch ein Paar Propellerblätter G1 und G2, die drehbar
in einer Nabe G3 gelagert sind. Jedes Blatt ist mit einem Arm G4 ausgerüstet, welcher
mittels einer Zugstange G5 an einer Muffe G6 angelenkt ist, die längs der Motorachse
G' gleiten kann. Ein gegabelter Arm G8, der mittels eines Bowdenzuges G9 mit der
Kröpfung 11 verbunden ist, läßt die Muffe G6 in ihrer Längsrichtung gleiten,
wobei die Steigung der Flügel verändert wird. Auf diese Weise wird die Flügelsteigung
des Windmotors synchron mit der Reglereinstellung verändert.
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Es sei hervorgehoben, daß entweder der Windmotor mit veränderlicher
Flügelsteigung oder der veränderliche Geschwindigkeitsregler unabhängig voneinander
verwendet werden können.
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Fig. a zeigt schematisch eine Anordnung, bei welcher eine kleine Wasserturbine,
etwa ein Peltonrad K, als Antriebskraft dient. Die Turbine besitzt eine Düse K1,
der 0,1 oder eine andere unter Druck stehende Flüssigkeit durch ein Druckmittelzuleitungsrohr
K2 zugeführt wird. Die Flüssigkeit läuft über ein Abflußrohr K3 zu einem Ablaufkanal
K4. Die Welle K5 des Peltonrades trägt das eine von zwei exzentrischen Zahnrädern
K6 und K7, von denen das andere auf der Welle K$ befestigt ist. Während eines Teiles
seines Umlaufs dreht sich das Zahnrad KB schneller, während des Restes 'des Umlaufs
langsamer als das Zahnrad K7, so daß bei konstanter Umlaufzahl des Peltonrades die
Umlaufgeschwindigkeit der Welle Ks sich ändert.
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Die Welle K8 trägt ein Zahnrad K9, das mit einem Ritzel L1 kämmt,
welches mit einer Kupplungshälfte L fest verbunden ist, die lose auf der Welle B
sitzt. Die Kupplungshälfte L treibt einen entsprechenden Kupplungskonus M, der auf
der Welle B mittels Feder und Nut verschiebbar aufgesetzt ist und eine Muffe 17i
trägt, die eine Ringnut hat, in die das gegabelte Ende eines Hebels 1'T2 eingreift.
Die Bewegung des Hebels verschiebt den Kupplungskonus M in der Längsrichtung der
Welle B zum Ein- und Ausrücken der Kupplung.
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Der Kupplungskonus 11 ist mit einer konischen Bremsfläche 1'l73 ausgerüstet,
um mit feststehenden Bremsschuhen M4, die vom Rahmen E getragen werden, zusammenzuarbeiten.
Wenn daher die Kupplung ausgerückt wird, wirkt auf sie ein Bremsmoment, so daß die
Welle B angehalten wird.
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Die Schaltung von Kupplung und Bremse wird durch einen Servomechanismus
bewirkt, der durch die Winkelabweichung der Rotorachse relativ zur Wellenachse gesteuert
wird. Dazu ist das untere Ende des Hebels M2 mit der Kolbenstange N l des Servomotors
N verbunden. Der Servomotor wird durch eine Vorrichtung N2 gesteuert, welche als
Kolbenschiebersteuerung ausgebildet ist. Der Steuerkolben ist mit einem Arm eines
Winkelhebels 14T3 verbunden, dessen anderer Arm zu einem gabelförmigen Glied 14T4
ausgebildet ist, dessen beide Zinken aufwärts an gegenüberliegenden Seiten des axialen
Wellenstutzens D des Rotors ragen. Wenn sich nun der Rotor seitwärts um eine vertikale
Achse herumbewegt, wird die Gabel N4 sich hin und her bewegen und damit der Kolbenschieber
auf-und abwärts gleiten. Der Kolbenschieber ist über Rohre N5 und Ng mit dem Servomotor,
über Rohre N7 und NB mit dem Zuleitungsrohr K2 des Druckmittels und beziehungsweise
mit dem Ablaufkanal K4 verbunden.
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Es sei hervorgehoben, daß die Verwendung einer hydraulischen Antriebskraft
bei der dargestellten Anordnung besonders vorteilhaft ist, insofern, als eine Druckmittelquelle
zur Beeinflussung des Servomechanismus erforderlich ist. Wenn die Vorrichtung in
ein Flugzeug eingebaut ist, so kann beispielsweise die Druckflüssigkeit unmittelbar
aus der Schmieröldruckleitung des Flugzeugmotors entnommen werden.
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Das Rohr N7 steht mit der Steuerung N2
über eine Drossel
N'°, die mit einer Regulierschraube N9 versehen ist, in Verbindung, so daß die Geschwindigkeit,
mit der der Servomechanismus arbeitet, je nach den Erfordernissen einreguliert werden
kann. Infolge der exzentrischen. Räder KB und K7 wird die Geschwindigkeit der Welle
B fortgesetzt schwanken, so daß ein im wesentlichen gleichförmiger Schlupf am Kugelgelenk
des Rotors entsteht. Wenn also eine Kursabweichung stattfindet und die Lage der
Treibspindel B im Raum sich ändert, wird der Rotor nur in sehr geringem Maße bestrebt
sein, seine Lage im Raum zu ändern. Wenn andererseits die Welle eine wesentliche
Zeitspanne in ihrer neuen Lage verharrt, dann wird der Rotor (unabhängig vom Servomechanismus)
bestrebt sein, in diese neue Lage der Welle einzuschwenken. Dieser Vorgang wird
bei der vorliegenden Anordnung durch den Servomechanismus verhindert, der den Kupplungskonus
M ausrückt und die Bremsfläche M' in Wirkung treten läßt, wodurch die Welle B angehalten
wird. Die Flächen des Kugelgelenkes werden möglichst gut geschmiert, so daß die
Welle für einen beträchtlichen Zeitraum angehalten werden kann, ohne daß der Rotor
in seiner Geschwindigkeit derart abfällt, daß seine Fähigkeit, als Kursabweichungsanzeiger
zu wirken, beeinträchtigt wird: Durch Einregulierung der Schraube N9 an der Drossel
NI° und der Überdeckung der Kolbenschiebersteuerung 11= kann der Servomechanismus
' daran gehindert werden, die Welle anzuhalten, ausgenommen dann, wenn die Kursabweichung
wesentlich ist und eine beträchtliche Zeit lang anhält. Die Anordnung wurde für
eine Regelung beim Abweichen um eine lotrechte Achse beschrieben. Sie könnte jedoch
auch so ausgebildet werden, daß sie bei einer Abweichung um eine horizontale Achse
wirksam werden würde, gleichgültig ob diese Abweichung um Achsen quer zur Kursrichtung
oder in der Kursrichtung oder in beiden Richtungen zugleich erfolgen würde.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine einfache Anordnung, bei welcher die
Antriebswelle B für den Rotor unmittelbar durch einen Elektromotor Pangetrieben
wird. Die eine Klemme P' des Motors ist unmittelbar mit einem ZweigP2 des Netzes
verbunden, während die andere Klemme P3 mit einem umlaufenden Kontaktarm QI in Verbindung
steht, der durch ein Uhrwerk Q gleichförmig gedreht wird. Der Arm QI läuft auf einem
Paar Kreisbogenkontakten Q'= und Q', von denen der Kontakt Q!' mit dem anderen
Zweig P' des Netzes verbunden ist. Der Kontakt Q' ist über einen Widerstand P' mit
dein Zweig P'= verbunden. Wenn nun der Arm 01 sich auf dem Kontakt
Q2 befindet, dann ist der Motor unmittelbar aufs Netz geschaltet; wenn dagegen der
Arm QI auf dem Kontakt Q' steht, so ist der
Motor vom Netz getrennt und wirkt
unter Zwischenschaltung des Widerstands Pa als langsam umlaufender Generator. Die
Verzögerung von Motor und Welle kann durch Andern des Wertes des Widerstands P6
verändert werden. Weiterhin kann die Dauer der Perioden, während der der Motor anfährt,
frei läuft und verzögert wird, ganz nach Wunsch verändert werden, und zwar durch
Veränderung der Bogenlängen der Kontakte Q2 und Q' und ihrer Zwischenräume.
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Fig.4 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einem veränderlichen
Übersetzungsge-. triebe zur Übertragung einer wechselnden Geschwindigkeit. Hier
wird ein Antrieb R mit biegsamer Welle verwandt, der beispielsweise mit dem Verbrennungsmotor
eines Flugzeuges gekuppelt werden kann. Die Welle R treibt ein kleines Rad RI an,
das mit einem großen Getrieberad R2 kämmt. Die Fläche des großen Rades ist eben,
und auf der Welle B des Rotors sitzt ein Reibrad S mittels Nut und Feder, das eine
mit einer Ringnut versehene Muffe S' trägt, damit es in der Längsrichtung der Welle
B durch den
gegabelten Arm S'2 eines Winkelhebels verschoben werden kann.
Der andere Arm S3 des Winkelhebels ist mittels einer Schubstange S4 an einem Kurbelzapfen
R' am R4.d R2 angelenkt, das den Winkelhebel S2, S3 hin und her schwingen läßt und
damit das Reibrad periodisch zum Mittelpunkt des Rades R2 hin und von ihm weg bewegt.
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Es sei hervorgehoben, daß Fig.4 ebenso wie der Rest der Zeichnungen
lediglich schematisch ist und daß auch jede andere gewünschte Ausführung eines veränderlichen
Übersetzungsgetriebes angewendet werden kann. Wo ein Reibungsgetriebe der beschriebenen
Bauart verwendet wird, kann das Reibrad derart angeordnet sein, daß es langsamer,
als es nach Fig.4 der Fall sein würde, hin und her gleitet. Ferner kann das Reibrad
derart angeordnet sein, daß es nach dem Mittelpunkt der großen Reibscheibe R2 und
weiterhin darüber hinaus gleitet, so daß die Welle angehalten und in entgegengesetzten
Umlauf versetzt wird. Die Geschwindigkeit im gegenläufigen Drehsinn muß natürlich
geringer und von kürzerer Dauer sein als in der Richtung voraus, damit die Geschwindigkeit
des Rotors erhalten bleibt.
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Fig.5 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der eine Wasserturbine
T, die unmittelbar mit der Rotorwelle B gekuppelt ist, verwendet wird. Die Turbine
ist mit einem Paar
Düsen TI und T2 ausgerüstet, die derart angeordnet
sind, daß der Läufer in beiden Richtungen umlaufen kann. Das Druckmittel wird den
Düsen durch ein Zuleitungsrohr T3 und über eine Kolbenschiebersteuerung I @:@: zugeführt.
Der Kolbenschieber gleitet pef@#-:' odisch auf und nieder, dadurch, daß er durch
ein Uhrwerk U mittels Kurbel Ui und PleuelstangeU2 angetrieben wird. DieÜberdeckung
des Schiebers ist vorzugsweise sehr klein, oder es ist eine Auslösevorrichtung im
Uhrwerk vorgesehen, so daß, wenn die Flüssigkeit von der Düse T2 abgeschaltet wird,
sie sofort zur Düse TI geleitet wird, damit der Schlupf an den Kugelgelenkflächen
des Rotors im wesentlichen gleichmäßig sein kann. Die Tatsache, daß die Turbine
T nur einen schlechten Wirkungsgrad besitzt, ist unwesentlich, da die erforderliche
Antriebskraft, den Rotor zu drehen, gering ist. Es sei hervorgehoben, däß die Turbine
kräftiger oder für längere Zeit in dem einen Drehsinn als in dem anderen beaufschlagt
werden muß, indem entweder eine der Düsen TI und T2 wirksamer als die andere. ausgestaltet
ist oder indem das Druckmittel auf einer der Düsen für eine längere Zeit geschaltet
bleibt.